Komponenten für die Überwachung optischer Kenngrößen in Zugangsnetzen – (COMAN)Projekttreffen 11.07.2007, Stuttgart
Jörg Hehmann
Juli, 2007)
COMAN Projekttreffen | Juli 2007 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007
Zielsetzung: Erforschung von Hard- und Softwarekomponenten zur Überwachung von optischen Zugangsnetzen
OLT ONTDemarcationPoint
OTDR
DP
-mon
Data
OTDR
-mon
Data
CentralOffice
OutsidePlant
InhouseNetwork
Partners:Alcatel-LucentCube OpticsMergeOpticsUniv. KarlsruheFhG-HHIDiamondIMST
blue boxes : new functions
COMAN
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Agenda
10.30 Uhr Anreise/Begrüßung11.00 Uhr Stand der Arbeiten12.30 Uhr Mittagessen13.30 Uhr Organisatorisches14.00 Uhr Stand der Arbeiten16.00 Uhr Abschlussdiskussion16.30 Uhr Ende
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1 Stand der ArbeitenASIC Spezifikation
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Collaboration with IMST Target specification
12 bit ADC / DAC 40 MHz clock rate 3 x 3 mm2 chip size 300mW power consumption
Monitoring application Sine wave OTDR (OLT) Pulse OTDR (ONT) -monitoring (OLT/ONT) Demarcation point rec. (OLT)
Time line Design and simulation July 2007 Multi project wafer process September 2007 Packaging, test & characterization October 2007 Redesign November 2007 Second MPW run December 2007 Packaging, test & characterization February 2008
Embedded monitoringmixed signal ASIC
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Signal generator 1Hz – 10MHz Modulation depth adjustable
Signal detection AGC routine 12bit ADC Flat frequency response
Signal processing Network analyzer averaging 2* 8k * 24bit (I and Q components)
Embedded monitoringmixed signal ASIC – sine wave OTDR (OLT)
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Signal generator 1MHz 5% modulation depth
Signal detection AGC routine 12bit ADC
Signal processing Network analyzer averaging 2* 2 * 24bit (I and Q components)
Embedded monitoringmixed signal ASIC – -monitor (OLT)
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Signal generator 1MHz 5% modulation depth Preamble, 8bit address, 8bit message Bitrate 100kHz
Signal detection AGC routine 12bit ADC
Signal processing 16k * 12bit data volume Sample integration
Embedded monitoringmixed signal ASIC – demarcation point monitor (OLT)
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Signal generator 1MHz 5% modulation depth on top of pulse
Signal detection AGC routine 12bit ADC
Signal processing Network analyzer averaging 2* 2 * 24bit (I and Q components)
Embedded monitoringmixed signal ASIC – -monitor (ONT)
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Signal generator Variable pulse length Data feed through Tx enable
Signal detection Cross talk suppression AGC routine 12bit ADC
Signal processing averaging 8192 samples
Embedded monitoringmixed signal ASIC – pulse OTDR (ONT)
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA1
analogue
digitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
LDdriver
GC2
OTDRRX
VGA1
GC1
TIA2 TIA4TIA3
Input/control unit
LDMD
-monRX
SERDES I2C masterHost board
transceiver
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Stand der ArbeitenASIC Spezifikation
Kritische Parameter Leistungsverbrauch Chip - Fläche DC off-set Korrektur (hohe Dynamikanforderung >60dB) Rauschbeiträge im unteren Frequenzbereich <100kHz Anschlussbelegung durch Gehäusevorgabe QFN48
Externe Kapazitäten (untere Grenzfrequenz, Schwingungsunterdrückung) Maskierung des Übersprechpulses im OTDR Pulses Betrieb
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Stand der ArbeitenASIC Spezifikation
Kenndaten zum Digitalteil 3 RAM Blöcke
jeweils 24 bit * 8k 32 Byte Register zur Steuerung der Messfunktion 32 Byte Register zum Abgleich von ADC und DAC I2C Schnittstelle
einstellbare Device Adresse (4 bit von 7 bit einstellbar) Low und high speed mode möglich (100 kHz oder 400 kHz)
DDS (direct digital synthesizer) 1 kHz bis 10 MHz Frequenzbereich 1 Hz Frequenzauflösung
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Stand der ArbeitenASIC Spezifikation
Spezifikation für den ASIC erstelltWöchentliche Abstimmungsgespräche durchgeführtDesign Review am 18./19. Juni in Kamp-LintfortDefinition der Messabläufe im Digitalteil Digital code (VHDL) erstellt und an IMST übermittelt
Zusammenstellung der Punkte für das Redesign
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2 Stand der ArbeitenNumerische Simulationen
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Crosstalk in OTDR testhead
I2C bus
data out
data in Laser DiodeDriver
PostAmplifier
LD
PD + TIA(data)
OTDR test signal
OTDR signal
OTDRRx
1
2
1
1,2
OTDR signal processingand control
optical transceiver module
electrical crosstalk- radiative coupling- ground loops- …
optical crosstalk :- discrete reflections- stray light (multipath)- …
fiber
Crosstalk originating from - OTDR test signals is correlated, deterministic can be reduced via subtraction / blanking (pulse method)- data signals is uncorrelated, noise-like must be reduced via averaging
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Trace correction: numerical cancellation of crosstalk
0 50 100 150 2000.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u.
raw measurement
0 50 100 150 2000.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u.
after full crosstalk correction(optical + electrical)
0 50 100 150 2000.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u.
after partial crosstalk correction(only electrical)
not connected to fiber link,negligible optical reflection
OTDRDigital Processing
and Control
LaserDiode
DataRx
OTDRRx
open optical connector
#1 #4
dummyelectrical
input
analog
digital
outputelectronics:
LDDfilter
amplifierDAC
inputelectronics:
muxamplifierfilterADC
not connected to fiber link,negligible optical reflection
OTDRDigital Processing
and Control
OTDRDigital Processing
and Control
LaserDiodeLaserDiodeLaserDiode
DataRx
DataRx
OTDRRx
OTDRRx
OTDRRx
open optical connector
#1 #4
dummyelectrical
input
dummyelectrical
input
analog
digital
outputelectronics:
LDDfilter
amplifierDAC
inputelectronics:
muxamplifierfilterADC
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Electrical noise power vs. Rayleigh-induced photocurrent
1 10 12 1 10 11 1 10 10 1 10 9 1 10 8 1 10 7 1 10 61 10 20
1 10 19
1 10 18
1 10 17
1 10 16
1 10 15
1 10 14
1 10 13
1 10 12
1 10 11
total noisethermal receiver noiseshot noiselaser RINRayleigh noiseRayleigh signal
photocurrent due to Rayleigh, A
elec
tric
al p
ower
, A^2
With single reflection
electrical bandwidth2.5 MHzreceiver noise 0.6 pA/Hz^0.5shot noise 2q*ioptical linewidth 1 GHz
reflection:photo current 1 µAlaser RIN -140 dB/Hz
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Electrical noise power vs. laser linewidth
1 10 3 0.01 0.1 1 10 100 1 103 1 104 1 105 1 1061 10 241 10 231 10 221 10 211 10 201 10 191 10 181 10 171 10 161 10 151 10 141 10 131 10 121 10 11
Rayleigh noise for no reflectionRayleigh noise for i.refl = 1 µARayleigh noise for i.refl = 10 µARayleigh noise for i.refl = 100 µARayleigh signal power
optical linewidth, MHz
elec
tric
al n
oise
pow
er, A
^2
Parameters
electrical bandwidth2.5 MHzRayleigh signal 1 nA
unmodulatedDFB laser
Gbps modulatedDFB laser
FPlaser
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Numerical simulation of ASIC response : OTDR trace for 20 km fiber (after FFT)
0 200 400 600 8000.01
0.1
1
10Rx response function
frequency, Hz
mag
nitu
de
0 200 400 600 8004
2
0
2
4Rx response function
frequency, Hz
phas
e, ra
d
0 2000 4000 6000 8000 1 1040.02
0
0.02
0.04
0.06OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u.
400 500 600 700 800 900 10000.02
0
0.02
0.04
0.06OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u. zoom
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ct‘d: previous ASIC design
0 200 400 600 800 10000.01
0.1
1
10Rx response function
frequency, Hz
mag
nitu
de
0 200 400 600 800 10004
2
0
2
4Rx response function
frequency, Hz
phas
e, ra
d
0 2000 4000 6000 8000 1 1040.02
0
0.02
0.04
0.06OTDR trace
time, µsec
OTD
R s
igna
l, a.
u.
400 500 600 700 800 900 10000.02
0
0.02
0.04
OTDR trace
time, µsec
OTD
R si
gnal
, a.u
.
zoom
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3 Stand der ArbeitenIntegration Transceiver Modul
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LD
OTDRPD
PD+TIA
LDdriver
Lim Amp
Optical sub module
MD
Mon, filterPD
Mon, powerPD
WDM filter
10 % tapcoupler
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA
TIA
VGA1
analoguedigitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
TIA
TIA
Linearfilter
LUT
ONTonly
10 % tapcoupler
bias
modulation
Sine wave OTDR calibration
Stand der ArbeitenTransmitter power control – look up table
Open control loop Simple set-up Wide temperature range Aging effects are not included
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LD
OTDRPD
PD+TIA
LDdriver
Lim Amp
Optical sub module
MDWDM filter
10 % tapcoupler
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA
TIA
VGA1
analoguedigitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
TIA
TIA
Linearfilter
ONTonly
10 % tapcoupler
ACblocker
Sine wave OTDR calibration
Mon, filterPD
Mon, powerPD
DC
Stand der ArbeitenTransmitter power control – use of monitor diode
Closed control loop AC blocker at < 100 Hz Aging effects are included Tracking error at MD
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LD
OTDRPD
PD+TIA
LDdriver
Lim Amp
Optical sub module
MD
WDM filter
10 % tapcoupler
DDS
RAM
MUX
I2C
Logic block
LP2
TIA
TIA
VGA1
analoguedigitalADCDAC
VGA2
LP1
Pulse
TIA
TIA
Linearfilter
ONTonly
10 % tapcoupler
Bias-T
Sine wave OTDR calibration
Mon, filterPD
Mon, powerPD
AC
DC
Stand der ArbeitenTransmitter power control – use of -mon photo diode
Closed control loop Control loops not separated Bias-T (< 100 Hz) Aging effects included
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4 Stand der ArbeitenDemarkationspunkt - Spezifikation und Systemintegration
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Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung
DP Monitor
Überwachung der Faserverfügbarkeit
Netzausbaus Netzbetriebs
Unabhängig vom ONT
Trennung Heimnetz und Betreibernetz
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•OLT
ONT•-•20 dB•
Tx
OTDR Rx
1:10 tap coupler•1: 64
•splitter •
•
•5 km • attenuation: •-• 0.5 dB•
99% reflector
• •DPM2
•4.3 km
•340 m
•180 m
•310 m
•Fiber length•
OTDR response
5 km9.3 km 9.3 km +
180m 310 + 340 m
• DPM1
DPM3
reflex from splitter
Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Passive Lösung
Reflektor
Faserabschluss
10% Tap coupler
Einfach und kostengünstig
Keine Informationsübertragung
Erkennung mit OTDR
<30 m Auflösung
78 dB Empfindlichkeit-73dBm an OTDR RX
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Automatically acting DPMPhoto generator solution
StatusTransmit unit
(periodic)
Level detect
PG
Akku
TX
10%
Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Aktive Lösung I
Statisch operierender DP
Photogenerator
Batteriebetrieben
Kurze Nachricht (Adresse und Status)
Geringe Kollisionswahrscheinlichkeit
<0,01% bei 10 min Widerholzeit und 64 DPs
Geringer Stromverbrauch
Extra Monitorpfad am OLTOLT
ONT
15.2 km
Tx
OTDR
Rx
VCSEL
3 dB coupler
VCSEL (λ = 1550 nm):Ppeak= - 8 dBmPmean = -13.2 dBm
4 dBm
Ppeak= - 47.3 dBm
attenuator
time
Response @ bandwidth: 1.2 MHz
Control/data signal
23 sec
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Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Aktive Lösung II
Dynamisch operierender DP
Nachricht an DP
Adressierung und Nachricht
DP Antwort nur nach Aufforderung
Eigene Adresse und Statusinformation
Sehr flexible einsetzbar
Stand-by Betrieb
Kompatible mit OTDR
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Demarkationspunktadressierung Aufwachsequenz 8 bit Präambel 8 bit Adresse 8 bit Nachricht
Information vom Demarkationspunkt 8 bit Präambel 8 bit Adresse 16 bit Statusinformation
Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung
2.5 Gbit/s data stream5% modulation of 1MHz sine wave
10µs long bit information (modulation on /off)
•unknown start time of message
•response from DP•(= 32 bits)
•1 bit•(= 8 chips)
•1 chip•(= 5 samples)
•OLT listen window
204 µs
•32 µsec
•1 µsec•= 8 x 125 ns
•125 nsec•= 5 x 25 ns
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5 Stand der ArbeitenGPON Systemintegration
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Evaluation and control functions are spread over GPON transmission system and the related management system
Result
OSS
Requ
est
XML
Evaluation /Database
SNMP
GUI
Result
Requ
est
HTTP(S)
GPON (OMCI, OAM)(DP protocol)OLT
ONT’s
•Element management system•User information system•Geographic information system
OTDR functionDP monitor-monitor
OTDR function-monitor
DP
DP
DP
•OTDR register•OTDR analysis•Alarming•Reference trace
•OTDR diagnostic•Event history•DP analysis
•Configuration•Maintenance
Embedded monitoringIntegration of control and evaluation functions
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Cold start-up or resetTIA selection, Filter calibration, ADC calibration, Calibration of modulation depth
OTDR OLT VGA setting start, step and stop settling time No of averages modulation depth shift register usage of CF
start OTDR trace read out
-monitor VGA setting sine frequency modulation depth No of averages settling time MUX input (optional) PSI (ONT only)
start monitor read out memory
DP Monitor (OLT) VGA setting sine frequency modulation depth DP addressing DP message bit length
start DP recognition read out memory
monthly system calibration (TBD)AGC routine, CF measurement
Test routines Memory test sine wave frequency test
OTDR ONT VGA setting pulse length pulse enable No of averages int / ext pulse pulse mask width record delay /time
start OTDR trace read out
Embedded monitoringflow chart for mixed signal ASIC
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Embedded monitoring Changes to OLT/ONT SoC
Optical transceivers will be upgraded with new physical layer supervision capabilities (OTDR Asic and SFP-MSA-Interface).
Readout and control via I²C bus (“2-wire-serial-interface”). OLT/ONT Processor needs an I²C bus master (Transceiver is slave).
New transceiver
SoC
GPON MAC
Processor
TX/RX data
I²C bus
1 Transceiver/SoC
Architecture
New transceiver
SoC
TX/RX data
I²C bus
4 Transceivers/SoCArchitecture
GPON MAC
New transceiver
New transceiver
New transceiver
GPON MACGPON MAC GPON MAC
Processor MUX2-wire select
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6 Organisatorisches
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OrganisatorischesCOMAN – Projektlaufzeit vom 1.2.2007 bis 31.1.2009 Kooperationsvereinbarung bis 31.7.2007
Schriftliche Mitteilung an Projektträger (Koordinator) bis 31.7.2007 Empfangsbestätigung (Verzicht auf Rechtsbehelf)
Verwendungsnachweis (Sachbericht und zahlenmäßigen Nachweis)
Statusseminare zur Beurteilung der Projektergebnisse n. Abstimmung (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet)
Zwischenberichte (zweifacher Ausfertigung) jeweils 15.2 u. 15.8 Zusätzl. zusammenfassender Statusbericht jeweils 1.3 u. 1.9
Zusammenfassenden Abschlussbericht (zweif. Ausfertigung) 1.9.2009 (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet)
Reisebericht zu außereuropäischen Reisen und europäischen 1 Monat danachKonferenzen (3-4 Seiten)
Vorgänge zur Durchführung u. Abwicklung des Vorhabens an Projektträger melden
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OrganisatorischesCOMAN Zwischenberichte
Jeder Partner erstellt seinen eigenen Zwischenbericht 15.8.2007 Nach Vorlage aus den Nebenbestimmungen Anlage 1 Alle Punkte sollten behandelt werden Ca. 3-4 Seiten plus Anhang mit Detailbeschreibung (optional)
Gesamtbericht von Alcatel-Lucent 1.9.2007
Statusseminar Terminvorschlag: 12. oder 13. September 2007
Projektträger möchte alle Partner kennen lernen Jeder sollte einen Beitrag leisten Zusammenarbeiter der Partner sollte deutlich werden Ort ?
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7 Abschlussdiskussion
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Abschlussdiskussion
Diskussionspunkte:
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Abschlussdiskussion
Vielen Dank! und eine gute Heimreise
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